图1：染色体到位示意图（图片来源于网络）。

一般来说，尺度较小的倒位在中性选择过程中倾向于固定，并在推动基因组进化中发挥重要作用。中等或大尺度的倒位则可以抑制染色体局部重组，有助于适应性特征的选择，促进生殖隔离，从而驱动物种形成。倒位在植物基因组中普遍存在，是植物基因组进化的一个重要但通常不易理解的来源。倒位不仅可以通过断点直接影响断点附近基因的功能，而且可以通过捕获有益的等位基因组合和防止重组打破这些组合，间接促进正向选择。这些都是倒位推动基因组进化和物种的进化过程中起关键作用的重要原因。在高通量测序技术出现之前，倒位研究只能用细胞遗传学或PCR等方法，难以从全基因组层面，以及群体角度对倒位进行全面的研究。随着高通量测序技术的快速发展，倒位研究借助二代测序等技术，已经能够在更多物种上进行，最新的机器学习等人工智能的技术，可以显著提高倒位检测和性状关联的准确性，深化了我们对不同生物体中倒位的形成和分布，以及其功能重要性的理解。

倒位检测方法的总结

细胞学方法：早期的倒位研究依赖于染色体的细胞遗传学分析，比如通过核型分析或观察减数分裂期间的染色体配对来推断倒位。荧光原位杂交（FISH）是一种常用的细胞遗传学方法，用于识别染色体结构变异，包括倒位。光学映射是另一种高效的结构变异检测方法，它能够通过酶切和DNA分子的成像直观地表示倒位，但可能存在假阴性结果，需要辅助技术来提高准确性。

基于DNA标记的方法：基于DNA分子遗传标记技术的进步，包括遗传连锁图的构建和比较，使得在物种内外检测染色体倒位成为可能。此外，通过分析局部群体结构或联锁不平衡（LD）来识别潜在倒位，但这些方法的分辨率和检测准确度受到标记密度和群体遗传因素的限制。

基于序列的方法：传统的细胞遗传学和群体DNA标记方法不仅耗时而且分辨率低。二代测序技术为倒位检测提供了高效的手段。通过短读测序，已经开发出多种策略来检测染色体倒位。但是，通过短读测序检测较大的倒位存在困难。

长读测序技术：如PacBio HiFi测序和Oxford Nanopore的三代测序，能够产生更长的测序读长，弥补了短读对检测倒位的局限性。使用能够跨越复杂基因组区域的长读长，检测倒位变得更加直接和简单。使用长读长组装的高质量的基因组组装或甚至端到端（T2T）基因组，可用作黄金标准参考，以建立倒位索引数据库或基于图型化的基因组框架，能进一步促进短读序列的高效比对和基因分型。

其他测序技术：如染色体构象捕获（Hi-C）测序，也可用于预测三维基因组结构并识别染色体倒位，并有潜力在碱基对分辨率上确定染色体断点。然而，由于不同细胞类型间基因组的3D结构可能不同，Hi-C实验的结果可能不代表生物体中所有细胞类型。因此，将Hi-C与长读测序等技术结合，可以提高倒位检测的准确性和分辨率。

不同的倒位检测方法具有各自的优缺点，适用于检测不同范围的倒位，具体总结概述如下表：

目前倒位研究的研究现状

近期科学界对不同植物如水稻、大豆、大麦、小麦、油菜、棉花、番茄和黄瓜等进行倒位研究，表明倒位通过改变基因的重组率、表达和连锁不平衡等方式，对植物环境适应和驯化有显著影响。例如，研究人员在栽培番茄中鉴定出大小不等的28个倒位，发现超过一半的倒位区域内的基因与生物和非生物抗性有关。通过对597种不同番茄品种的倒位基因型分析，发现17种倒位在栽培品种中的等位基因频率低于野生番茄，表明在驯化过程中倒位的频率发生变化。此外，在前期大麦泛基因组的研究发现，北欧起源的栽培大麦品种的2H染色体上有一个10Mb的倒位，且这倒位中携带的HvCEN 基因的单倍型III与开花期晚的性状相关。

随着DNA测序技术的快速发展和成本的降低，促进了多种物种基因组组装的构建。越来越多研究表明单一个体的参考基因组无法代表物种内的遗传多样性。因此，研究人员建立能代表栽培品种和其野生亲缘植物的遗传多样性的泛基因组，以捕捉物种的完整遗传变异。例如，研究者通过研究73个水稻基因组，构建了一个包含1,769个非冗余倒位的泛基因组框架，成功表征了野生和栽培亚洲水稻品种中倒位的分布，并鉴定出不同水稻群体中特有的倒位热点区间。同时，随着图形泛基因组的出现，允许以节点和边的形式精确表示遗传变异，使图型化泛基因组成为检测倒位变异的新技术框架。此外，机器学习在倒位检测算法中的应用，提高在处理短读长序列数据检测倒位的准确性和敏感性。尽管长读长序列能直接用于组装基因组，及检测倒位变异，但短读序列测序因成本低廉仍极具吸引力，但其在检测倒位时存在诸多挑战，如倒位断点的不同状态和可能存在的复制或其他结构变异等情况都可能影响检测的准确性。未来，我们相信，通过长读长序列生成的多个高质量基因组序列，将为机器学习中基因型的训练检测提供‘真集’、为生成比对训练数据和调整模型提供数据资源。

基因组学和基因编辑的进步为基于倒位的植物育种铺平了道路

研究显示大片段的染色体倒位能够作为农作物育种的宝贵遗传资源，并成为CRISPR-Cas编辑的有效靶点。因为它们能够抑制染色体片段间的重组，并可能影响与生物和非生物抗性相关的基因表达。基于此，我们提出了一个综合了泛基因组、机器学习方法、基因编辑技术的倒位育种流程。此流程包括生成、组装和注释来自植物个体的高质量参考基因组，并使用泛基因组索引检测特定谱系或生态型基因组中的非冗余倒位。接着，可以利用高通量二代测序数据和机器学习算法在种群水平对目标倒位进行基因型分析，并进行倒位单倍型与表型关联分析以评估它们对表型变异的影响，最后使用基因组编辑技术诱导或修改遗传性倒位，获取具有特定表型的作物（图2）。

图2：以泛基因组和机器学习方法为技术框架，利用基因编辑技术和发现倒位变异进行育种改良的流程概述。

为了实现理想的倒位，可以通过基因组编辑在同一条染色体上诱导两个双链断裂，并通常通过经典的非同源末端连接（NHEJ）修复，这可能导致随机的染色体重排，例如倒位。由于倒位发生率较低并常伴随着倒位连接点的缺失，实现精确倒位可能具有挑战性。值得注意的是，目前的技术进展能帮助克服相关技术障碍，以更高效率地生成无缝倒位变异。通过调整Cas9驱动的启动子和目标区域内的核酸酶切割效率，能够在野生型植物中以0.5%至10%的效率高效诱导无插入/缺失突变的倒位。

目前，基因编辑研究已在拟南芥、水稻和玉米等模型植物中证明了诱导倒位的可能。例如，张等研究者在包含一对功能相反的拟南芥花期调控基因AtFT和AtTFL1外显子区域成功产生倒位突变，改变了其开花时间。在玉米中，利用基因编辑技术重新倒置了自交系中的75.5Mb近中心体基因区域，打破了此前锁定在倒置区域内基因的连锁，允许与其他自交系重组。这些倒位对重组率的功能结果也已被研究，相关结果表明可通过恢复拟南芥中天然的1.1Mb倒位，诱导在重组冷区域的交叉。相反，在拟南芥中诱导的17Mb倒位抑制了该区域的交叉。这些诱导大片段倒位的研究还表明，诱导倒位的物理大小并非限制因素。

小结

倒位对基因表达、重组和连锁不平衡有重大影响，从而显著影响植物物种的环境适应和驯化。近期技术的进步和方法论的发展，使得通过泛基因组全面特征化遗传多样性和阐明倒位变体成为可能。此外，机器学习算法在挖掘倒位特征方面证明是高效的，从而通过成本较低的短读长序列测序提高了群体水平倒位检测的准确性。另外，基因组编辑技术的出现和发展，使诱导遗传倒位成为可行的方法。然而，尽管技术取得了进步，但倒位的研究仍面临诸多挑战。用于识别和基因型鉴定倒位的技术没有跟上其他类型结构变异（如缺失和复制）的方法。这种差异是因为倒位在某种意义上是中性的，与拷贝数等变异不同，倒位不会导致序列覆盖深度的变化，从而增加了倒位检测的复杂性。基于图的泛基因组的技术虽然前景光明，但仍处于发展初期，在泛基因组水平针对群体级别分析和可视化的工具还非常有限。此外，含有复杂重复区域的植物可能会混淆比对软件并阻碍图泛基因组的构建，尤其是对于小麦和燕麦这样基因组较大的多倍体作物。另一个显著的挑战是，由于与其它类型的结构变异相比，倒位相对罕见，导致缺乏用于机器学习算法检测倒位的特征训练数据，因此需要在物种内，通过实验验证更多的基准倒位，以提高倒位特征的准确挖掘和检测。且尽管基因组编辑技术很有前景，但其针对倒位的靶向效率仍然较低，需要经过修改的Cas9蛋白才能高效诱导目标倒位进行功能研究和作物改良。

总而言之，倒位及其在植物中的潜在功能研究非常重要，但目前仍然未被充分探索。跨学科如泛基因组学、机器学习和基因组编辑技术的持续进步，正在为深入理解倒位的生物学和功能铺平道路。鉴于这一重要的遗传突变在育种中的应用潜力被低估，倒位的研究应在未来中得到更多关注。

审稿人评论

“The review is very timely as inversions are just getting in center of interest of breeders. This has two reasons: On one hand it is due to our enhanced abilities to detect and characterize structural variations in plant genomes. In this respect the review is excellent. On the other hand, for the first time, scientists can induce inversions by CRIPRS/Cas to use them for different breeding aims.”

这篇评论非常及时，因为倒位突变现在正成为育种领域的关注焦点。这有两个原因：一方面，这归功于我们增强了检测和表征植物基因组结构变异的能力。在这方面，这篇综述出色地总结了相关技术进展。另一方面，科学家们首次可以通过CRISPR/Cas技术诱导倒位突变，以用于不同的育种目标。

论文撰写感想

本综述的写作灵感、发表与Plant Biotechnology Journal关系紧密。来源于前期在该期刊发表的两个高质量的野生大麦基因组和澳洲栽培大麦基因组的研究工作。研究分别发现了野生大麦基因组中的倒位可能通过影响染色体重组，进一步导致不同种群的野生大麦适应的环境适应性；澳洲栽培大麦在二号染色体上具有独有的倒位，且可能与环境适应相关。通过总结和阅读一系列的文献，我们发现倒位对基因组的构成和表型的具有一定影响，在育种中可能会重要的作用和潜力，总结成综述并再次通过高影响力的Plant Biotechnology Journal杂志发表。可以说，该文章的发表与Plant Biotechnology Journal有根亦有缘。

资助项目

本研究得到广东省农业科学院青年骨干人才计划、广东省农业科学院水稻所研究所“优谷”计划等项目资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14224

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